Десять лет назад открытие графена повергло всех в предвкушение технической революции. Ученые нам обещали небо в алмазах, космические лифты, сверхпроводники и многое другое. Но в последнее время общественный и академический интерес к графену упал, о нем говорят мало и неохотно. Почему так произошло?
Что случилось с графеном?
Чтобы ответить на этот вопрос стоит посмотреть, что именно представляет из себя графен, почему он вызвал столько шума и каковы оказались его ограничения.
Как вас, возможно, учили на уроках химии, углерод – чрезвычайно универсальный элемент. Он легко связывается сам с собой и другими элементами, поэтому имеет множество интересных форм, называемых аллотропами (например, алмазы и графит). Графен – это двумерный аллотроп углерода с простой структурой: атомарно-плоский ячеистый рисунок, где в углах каждого шестиугольного элемента находится всего один атом углерода, а края являются связями между атомами. Одним из захватывающих последствий этой двумерной структуры является чрезвычайно высокая подвижность, так что электроны в графене движутся с сумасшедшей скоростью. Другими словами, электричество очень быстро проходит через графен. Для сравнения, кремний, элемент, который мы используем в схемах для компьютеров, обладает подвижностью всего в одну десятую графена.
Эти и другие удивительные электрические свойства повергли в замешательство ученых и заставили практически всех погрузиться в то, что было названо «графеновой лихорадкой».
Многим это казалось научной фантастикой с обещаниями произвести революцию в наших устройствах. В конце концов, электроны в графене движутся намного быстрее, чем в кремнии, а большая часть нашей электроники основана на кремнии, так что это должно быть лучше! Куда делась вся эта шумиха?
Оказывается, есть одна большая проблема – у графена нет запрещенной зоны, то есть для возбуждения электронов в графене не требуется дополнительной энергии. Почему это плохо? Если нет энергетических затрат на «включение» электронов, то они фактически всегда включены и не могут быть выключены. У кремния напротив, запрещенная зона допускает эти включенные и выключенные состояния, а, следовательно, и единицы, и нули, которые мы используем в современных вычислениях.
Модифицировать графен так, чтобы он имел запрещенную зону, непросто, так что в ближайшее время вы не получите мобильный телефон, который можно носить на запястье.
Но что он может сделать?
Поскольку графен является двумерным материалом, площадь его поверхности огромна, что означает, что он чрезвычайно химически активен. Благодаря этому графен является многообещающей мембраной для фильтрации воды. Он гибкий, невероятно прочный, а также достаточно хорошо поглощает свет, чтобы один слой графена можно было различить невооруженным глазом. Эти и многие другие химические и оптические свойства по-прежнему делают графен актуальным в исследованиях и технологиях, даже если мы мало слышим о нем в новостях.
Как сказал один специалист по графену: «Чтобы развить настоящую индустрию, мы должны проводить собственные фундаментальные исследования, не связанные с системой грантов, что сильно смещает приоритеты в сторону от коммерческих реалий. Мы также должны устанавливать высокие стандарты в отношении материалов. Это не гипотетически, это то, что мы должны сделать».
